Matériaux en couches minces : des corps purs composés aux méta

Matériaux en couches minces :
des corps purs composés aux méta-matériaux
DOSSIER
MATERIAUX POUR L'OPTIQUE
Michel LEQUIME
Institut Fresnel, Equipe Couches Minces Optiques
[email protected]
Les corps purs composés :
propriétés et mise en œuvre
Deux classes de matériaux sont aujourd’hui utilisées de manière totalement
maitrisée lors de la fabrication d’empilements de couches minces optiques :
il s’agit en premier lieu des oxydes, ces
diélectriques qui interviennent dans la
constitution de la plupart des filtres optiques interférentiels, mais aussi de certains
métaux, comme l’argent ou l’aluminium,
dont l’utilisation s’avère souvent requise
lorsque l’on s’intéresse à la réalisation de
fonctions réfléchissantes (et/ou non réciproques, c’est-à-dire dépendant du sens de
propagation de la lumière), et que les performances de celles-ci sont spécifiées sur
de larges domaines de longueurs d’onde
(la totalité du spectre visible, par exemple).
Parmi les oxydes les plus couramment
utilisés, on retrouve bien évidemment la
silice (ou dioxyde de silicium, de formule
SiO2), qui reste un choix quasi obligé en
terme de matériau bas indice (n ∼ 1,47 à
600 nm), mais aussi le pentoxyde de niobium (Nb2O5), qui a récemment supplanté
le pentoxyde de tantale (Ta2O5) comme
matériau haut indice, car il présente un
indice plus élevé (2,35 pour Nb2O5 à
comparer à 2,15 pour Ta2O5) sans que cela
ne s’accompagne des difficultés de mise en
œuvre qui sont celles du dioxyde de titane
TiO2 et qui sont liées à la présence simultanée de deux phases structurales (rutile et
anatase) de propriétés optiques sensiblement différentes (n ∼ 2,2 et 2,7). On citera également le dioxyde d’hafnium HfO2
(n ∼ 2,05), dont l’usage s’impose, en association avec la silice, lorsque l’on a pour
objectif la réalisation d’une fonction de
filtrage dans le domaine compris entre le
bleu profond et le proche ultra-violet (typiquement entre 300 et 450 nm).
Pour appréhender de manière correcte
les caractéristiques d’une fonction de filtrage optique, et donc les spécifications
de performances qui vont s’appliquer aux
matériaux entrant dans sa réalisation, il
semble ici nécessaire de rappeler quelques
notions importantes :
– L’indice de réfraction d’un milieu est en
fait une quantité complexe (n + iκ), l’usage
étant de désigner sous l’appellation (un
peu abusive) d’indice la seule partie réelle
n et d’appeler coefficient d’extinction sa
partie imaginaire κ. L’indice n va avoir essentiellement un impact sur le nombre de
couches nécessaires à la réalisation d’une
fonction de filtrage donnée, au travers du
rapport entre l’indice nH du matériau de
haut indice et celui nB du matériau de bas
indice qui interviennent conjointement
dans la formule de cet empilement. Plus
ce rapport nH/nB sera grand (on parlera
ici de choc d’indice), et plus faible sera
le nombre de couches entrant dans la
formule de cet empilement à propriétés
optiques équivalentes. C’est essentiellement pour cette raison que l’on cherchera à
disposer de matériaux en couches minces
présentant des indices de réfraction très
contrastés et c’est ce qui justifie, dès que
les contraintes de compatibilité chimique
ou de transparence le permettent, l’emploi de matériaux tels que le bifluorure de
magnésium (MgF2, n ∼ 1,38 à 600 nm) ou
le silicium (Si, n ∼ 3,45 à 1500 nm).
– La partie imaginaire κ de cet indice de réfraction va quant à elle définir l’absorption
des différentes couches constitutives de
l’empilement et donc son niveau global de
pertes. C’est là qu’intervient l’une des particularités les plus importantes des filtres
optiques interférentiels, à savoir le phénomène d’exaltation du champ électrique
dans l’épaisseur de certaines couches,
dites résonantes. Ce phénomène trouve
son origine dans la sommation, constructive ou destructive, des nombreuses ondes,
progressives et rétrogrades, qui prennent
naissance sur les différentes interfaces de
l’empilement et qui peuvent conduire à
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Article disponible sur le site http://www.photoniques.com ou http://dx.doi.org/10.1051/photon/20146935
Photoniques 69
Le domaine des couches minces optiques a vécu ces 20 dernières années de profondes mutations [1], aussi bien
au niveau des systèmes de dépôt (le développement des procédés dits énergétiques, tels que la pulvérisation
ionique, donne aujourd’hui accès à des couches dépourvues de toute porosité et présentant nombre des
caractéristiques d’un matériau massif) que dans celui du pilotage de ces procédés, spontanément très stables
(le contrôle optique in situ permet en effet de réaliser des arrêts de couche avec une précision réellement
sub-nanométrique). Mais, bien évidemment, de telles mutations ont aussi eu des impacts sur la nature et les
caractéristiques des matériaux entrant dans la constitution de ces empilements complexes. C’est à cet aspect
spécifiquement matériau que sera consacré le présent panorama.
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Transmission Théorique
© Institut Fresnel
ce que l’intensité E2 de ce champ soit localement multipliée par un facteur compris
entre quelques unités et plusieurs milliers.
Or l’absorption du composant est pilotée
par le produit κE2 entre cette intensité
locale et le coefficient d’extinction de la
couche. Il sera donc indispensable, malgré les faibles épaisseurs caractéristiques
des couches utilisées, de disposer de
matériaux présentant de très faibles absorptions, et donc de très faibles parties
imaginaires κ. À titre d’exemple, les coefficients d’extinction des oxydes évoqués
plus haut ne dépassent pas quelques 10-6,
ce qui revient à dire qu’une simple perte
de 10 % serait associée à l’emploi d’une
couche non résonante de plus de 5 millimètres d’épaisseur, soit l’équivalent de
quelques 70 000 couches quart d’onde !
– Cette contrainte de faible absorption est
aujourd’hui devenue réellement critique,
car le nombre de couches intervenant dans
la réalisation des fonctions complexes de
filtrage que spécifient des secteurs d’application tels que les télécommunications
optiques, le biomédical, l’observation astronomique ou le spatial, a littéralement
explosé, passant en moins de quinze ans de
quelques dizaines à plusieurs centaines [1],
sans que les niveaux admissibles de pertes
soient en rien relâchés, bien au contraire :
les transmissions maximales spécifiées
dans la partie passante du spectre excédent en effet couramment 90 %, comme
on peut le constater, à titre d’exemple,
sur le graphe présenté à la figure 1 et qui
reproduit les résultats d’une mesure expérimentale de transmission réalisée sur
un filtre complexe comprenant environ
une centaine de couches et dont la bande
passante est centrée vers 750 nm (la face
arrière du substrat est ici non traitée).
– On rappelle enfin que la conservation de
l’énergie à la traversée d’un composant optique (et les filtres optiques interférentiels
n’échappent bien évidemment pas à cette
règle) s’écrit, en toute généralité :
R +T + A + D = 1
où R et T désignent les coefficients de réflexion et de transmission en énergie dudit composant, A son niveau de pertes par
absorption et D celui associé à la diffusion
de la lumière. On comprendra, à la lecture
des paragraphes qui précèdent, qu’une fois
résolu le problème de l’absorption, ce sont
Mesure expérimentale
1,0
0,9
0,8
0,7
Transmission
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Photoniques 69
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MATERIAUX POUR L'OPTIQUE
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
500
550
600
650
700
750
Longueur d'onde (nm)
800
850
900
Figure 1. Transmission spectrale d’un filtre interférentiel comportant une centaine de couches minces (en trait
épais vert, calcul théorique ; en trait fin rouge, mesure expérimentale).
les mécanismes de diffusion prenant naissance dans l’empilement de couches qui
peuvent constituer le dernier facteur limitant, en dégradant le contraste des images
délivrées par l’instrument dans lesquels ces
empilements interviennent.
– Or, deux phénomènes sont responsables
de cette diffusion : il s’agit de la rugosité
des interfaces entre couches d’une part, et
de l’hétérogénéité volumique de ces différentes couches d’autre part. Pour minimiser
le premier, il convient d’utiliser des substrats super-polis et d’avoir recours à des
procédés de dépôt dits énergétiques, dont
on sait qu’ils conduisent à la croissance de
couches dont la rugosité de l’interface supérieure reproduit presque intégralement
celle de l’interface inférieure. Pour réduire
les effets du second, il faut sélectionner
des procédés permettant d’approcher en
couches minces les performances ultimes
du matériau massif : là encore, le recours
à des procédés énergétiques, comme la
pulvérisation ionique, semble aujourd’hui
s’imposer. Il n’en reste pas moins vrai que
les effets d’exaltation du champ électrique
évoqués plus haut dans le cas de l’absorption s’appliquent de la même manière aux
mécanismes de diffusion par des interfaces
rugueuses ou des volumes hétérogènes, et
qu’ils peuvent donc conduire à des résonances en diffusion dont la densité spectrale et angulaire de luminance ne saurait
être ignorée au moment de la conception
d’instruments modernes.
Des corps purs composés
aux mélanges
Le paragraphe précédent consacré aux
corps purs composés a permis de souligner
la grande maitrise qui préside aujourd’hui
à leur dépôt, mais il a aussi mis en lumière
la palette relativement restreinte dont dispose le concepteur de filtres interférentiels
en termes de valeurs d’indice.
C’est là que les procédés de co-pulvérisation interviennent en rendant accessible
n’importe quelle valeur intermédiaire d’indice située entre les deux valeurs extrêmes
qui correspondent à des matériaux purs.
Pour illustrer cette capacité nouvelle à
déposer des mélanges, nous avons choisi
le cas particulier de la machine de dépôt
HELIOS [2], développée par Leybold Optics
au milieu des années 2000 et dont l’Institut Fresnel s’est doté en novembre 2012. Il
s’agit d’une machine de pulvérisation magnétron (les ions présents dans la chambre
de dépôt sont accélérés et leurs trajectoires
courbées vers une cible métallique par
un champ magnétique) avec assistance
plasma réactive (l’oxydation des couches
métalliques sous-stœchiométriques est réalisée par un plasma d’ions oxygène), procédé qui est habituellement désigné sous
l’acronyme générique de PARMS (plasma
assisted reactive magnetron sputtering).
La figure 2 représente de manière schématique la structure de cette chambre de
dépôt. Les pièces à traiter sont disposées
Process module
Dual magnetron
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Turn table
Substrate carrier
a
¶ ILeybold Optics
Plasma source
Load lock valve
Substrate heater
Figure 2. Schéma de principe du fonctionnement de la machine de dépôt HELIOS, utilisant la pulvérisation
magnétron avec assistance plasma réactive.
dans des logements régulièrement répartis sur un plateau tournant à grande
vitesse (240 tours par minute). À l’occasion de chaque tour de plateau, ces pièces
passent successivement devant un premier
magnétron équipé par exemple d’une cible
de niobium, puis devant un second doté
par exemple d’une cible de silicium. Durant
leur bref passage devant l’un ou l’autre de
ces magnétrons, la surface de ces pièces se
couvre d’une fine couche de matériau métallique partiellement oxydé (la chambre
est en effet sous atmosphère réactive d’oxygène), dont l’épaisseur instantanée est de
l’ordre de grandeur de l’angström. Comme
indiqué plus haut, cette fine couche est
ensuite totalement oxydée par la source
plasma d’assistance. Il suffit donc de régler
la puissance de commande appliquée à
chacun des deux magnétrons pour passer
continument d’une couche pure de SiO2
à une couche pure de Nb2O5 en transitant
par toutes les compositions possibles de
mélanges, de formule [SiO2]x[Nb2O5]1-x et
donc tous les indices de réfraction associés,
comme représenté à la figure 3.
Ce procédé permet donc de disposer d’une large gamme d’indices synthétiques et de rendre ainsi possible le
développement d’une nouvelle classe
¶ Leybold Optics
Refractive index vs. power ratio of reactive co-sputtered NbxSiyOz layers
2,4
2,3
Refractive index n
2,2
2,1
2
n at 550nm
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
0
SiO2
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Power ratio [Nb/Si+Nb]
0,7
0,8
0,9
Photoniques 69
1,4
1
Nb2O5
Figure 3. Evolution de l’indice de réfraction d’un mélange Nb2O5/SiO2 en fonction du rapport des puissances
de commande appliquées aux deux magnétrons.
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d’empilements dits à pseudo-gradient,
pour lesquels les valeurs d’indice utilisées conservent, quoique nombreuses, un
caractère résolument discret (le jeu d’indices employé peut comprendre entre 3
et 11 valeurs) ; cette appellation de pseudo-gradient a été introduite en référence
aux empilements de type gradient (ou
rugate) où la variation du profil d’indice
est, cette fois, de nature continue.
Il n’en reste pas moins vrai que le
contraste d’indice de ces empilements
pseudo-gradients est entièrement régi
par celui des matériaux purs. Pour augmenter ce contraste, il faut donc envisager de
réaliser un mélange faisant intervenir un
nouveau corps pur, si possible d’indice
beaucoup plus faible et c’est ce que réalisent dans une certaine mesure les matériaux poreux, où ce nouveau corps pur
n’est rien d’autre que de l’air.
Les matériaux poreux :
un cas particulier de mélange
Vers l’emploi
de méta-matériaux ?
Le simple exemple des couches antireflets montre l’importance qu’il peut y avoir
à augmenter la gamme d’indices de réfraction accessibles, et l’on comprend aisément
l’intérêt qu’a suscité de ce point de vue
l’émergence toute récente des méta-matériaux, ces matériaux artificiels qu’une structuration à l’échelle nanométrique a doté de
fascinantes propriétés d’indice (comme des
indices nuls ou des indices négatifs).
Et même s’il est clair qu’il reste encore un
long chemin pour que ces structures soient
intégrées à la boîte à outils du concepteur
de filtres optiques interférentiels [4], il aurait été regrettable de ne pas donner dans
ce panorama des matériaux en couches
minces un exemple de réalisation faisant
appel à ce type d’approche.
L’exemple que nous avons retenu est
un filtre passe-bande de 500 nm de large,
centré à 3,25 μm [5]. Il a été récemment développé par l’Université de Pennsylvanie
(Departement of Electrical Engineering
and Center for Nanoscale Science), et ne
comprend en fait que 3 couches, à savoir
une couche centrale de polyimide de
450 nm d’épaisseur entourée de deux
fines couches d’or de 30 nm chacune.
Cet empilement minimal est gravé dans
Photoniques 69
© Pennsylvania State University
La motivation à disposer d’un matériau
synthétique d’indice faible trouve son origine dans le cas des traitements antireflets
qui sont spécifiés sur un large domaine
de longueurs d’onde. On montre en effet
que les performances d’un tel empilement
sont, à nombre égal de couches, d’autant meilleures que le choc d’indice est
fort et que l’indice de la dernière couche
est faible.
C’est, comme évoqué plus haut, la raison
de l’emploi fréquent du bifluorure de magnésium comme couche terminale d’un
empilement antireflet, même si toutes les
autres couches de cet empilement font
appel à des oxydes.
De nombreuses méthodes ont été envisagées pour obtenir des matériaux poreux
de grande qualité, et il n’est évidemment
ni possible, ni réellement utile, d’en faire ici
une présentation exhaustive. Nous nous
limiterons donc à faire état de la démarche
adoptée par Nikon Corporation [3], qui a
conduit cette société à utiliser le dépôt,
par procédé sol-gel, d’une couche composée de nano-particules de MgF2 de diamètre compris entre 5 et 10 nm. L’indice
équivalent de la couche ainsi réalisée est
de l’ordre de 1,26 (à comparer à 1,38 dans
le cas d’une couche non poreuse) et l’emploi de ce matériau très bas indice comme
couche terminale (épaisseur 104,6 nm)
d’un empilement antireflet composé de
8 couches alternées SiO2/Nb2O5 permet
d’abaisser le coefficient de réflexion d’un
verre d’indice 1,59 à moins de 0,03 % sur
l’ensemble du domaine spectral compris
entre 430 et 675 nm.
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Figure 4. a. Représentation schématique de la cellule élémentaire de la structure en résille gravée dans un empilement or/polyimide/or (p = 2113 nm, w = 990 nm,
g = 198 nm, t = 30 nm et d = 450 nm).
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¶ IPennsylvania State University
MATERIAUX POUR L'OPTIQUE
UN UNIVERS DE PRÉCISION
3 Fournisseur de solutions en
Micro et Nano-positionnement
3 Une équipe d’ingénieurs
commerciaux spécialisés
3 Produits catalogues ou
développements spécifiques
3 Applications dans la
Recherche et dans l’Industrie.
Figure 4. b. Image par microscopie électronique à balayage de la structure de filtrage autoporteuse obtenue
par réplication du motif élémentaire décrit à la Figure 4a (barre d’échelle : 3 μm). L’encart présente une vue
agrandie du motif élémentaire (barre d’échelle 200 nm).
Conclusion
Le lecteur aura, nous l’espérons, perçu, à
la lecture de cette revue très synthétique,
et forcément incomplète, des matériaux en
couches minces, le dynamisme toujours renouvelé de cette thématique industrielle
diffusante et son enracinement spontané
dans le monde des nanotechnologies,
qu’elle a contribué à créer et qu’elle accompagne dans son déploiement.
Systèmes multiaxes
motorisés
Références
[1] M. Lequime et M.-F. Ravet-Krill, Les couches
minces optiques : entre recherche appliquée
et révolution industrielle, Photoniques 42,
51-53 (2009)
[2] H. Hagedorn, W. Lehnert, J. Pistner,
M. Scherer, A. Zöller, Plasma Assisted Reactive
Magnetron Sputtering of Demanding Interference
Filters, Proceedings of the 55th Annual Technical
Conference of the Society of Vacuum Coaters
(2012), 332-335
[3] T. Murata, H. Ishizawa, A. Tanaka, Highperformance antireflective coatings with a porous
nanoparticle layer for visible wavelengths, Appl.
Opt. 50, C403-C407 (2011)
Systèmes Piézo-inertiels
ultra-compact
Scanners
Piezo
Positionneurs
Piezo d’objectif
[4] M. Lequime, B. Gralak, S. Guenneau,
M. Zerrad, C. Amra, Negative indices and
the admittance formalism in multilayer optics,
in Optical Interference Coatings Conference
(Optical Society of America, 2013), paper TB9
[5] Z.H. Jiang, S. Yun, L. Lin, J.A. Bossard,
D.H. Werner, T.S. Mayer, Tailoring dispersion for
broadband low-loss optical metamaterials using
deep-subwavelength inclusions, Scientific Reports
3, 01571 (2013)
Manipulateurs
ultra-compact
Photoniques 69
toute son épaisseur par un motif en résille
dont la géométrie, finement optimisée, est
représentée à la figure 4a. La figure 4b
permet de mieux se rendre compte de
la structuration de ce filtre que l’on qualifiera d’auto-porteur, puisqu’il n’est pas
déposé comme à l’accoutumée sur un
substrat massif, mais simplement tendu
sur un cadre en aluminium.
La transmission dans la bande de ce
filtre est légèrement supérieure à 80 %,
tandis que le niveau de réjection hors
bande (entre 2,5 et 4 μm) est de l’ordre
de -10 dB. Cette dernière caractéristique
peut sembler quelque peu en retrait des
autres performances, mais il ne faut pas
perdre de vue que cet empilement a une
épaisseur hors tout de 510 nm, ce qui est
une valeur absolument remarquable si on
la compare à celle de la longueur d’onde
centrale du filtre ainsi réalisé.
Montages
optomécaniques
TRIOPTICS France
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